静载荷试验

3　土体原位测试

本章导读：

本章内容以载荷试验、静力触探、动力触探、标准贯入试验等常用的原位测试技术为主，同时纳入了一些应用于桩基工程中的动测技术。通过讲解和课后习题训练旨在让学生基本掌握岩土工程中各种常用原位测试技术的基本操作方法，了解其在工程中的作用和应用，并能运用于工程实践。

●基本要求　了解土体原位测试技术的基本原理、操作方法及其数据的整理。

●重点　载荷试验、静力触探、动力触探、标准贯入试验等常见土体原位试验方法及适用范围，试验要点及资料的整理及成果的应用。

●难点　载荷试验、静力触探试验以及桩基动测法的基本原理的理解。

3．1　概　述

3．1．1　原位测试的目的与特点

岩土工程测试通常包含了室内试验和原位测试两大部分。室内试验包含了常规的土工试验和模型试验，其主要优点是可以控制试验条件，而其根本性的缺陷则在于试验对象难以反映其天然条件下的性状和工作环境，抽样的数量也相对有限，可能导致所测结果严重失真。岩土工程的原位测试是在工程现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下，通过特定的测试仪器对测试对象进行试验，并运用岩土力学的基本原理对测试数据进行归纳、分析、抽象和推理以判断其状态或得出其性状参数的综合性试验技术。它是一项自成体系的试验科学，在岩土工程勘察中占有重要位置。

原位测试亦称现场试验、就地试验或野外试验。原位测试技术与钻探、取样、室内试验的传统方法比较起来，具有下列明显优点：不用取样；样本数量大；快速、经济。

3．1．2　原位测试方法的分类及应用

岩土工程检测和监测中的常用的原位测试技术包括：①载荷试验（平板、螺旋板）；②静力触探试验；③圆锥动力触探试验；④标准贯入试验；⑤十字板剪切试验；⑥旁压试验；⑦现场剪切试验；⑧波速试验；⑨基桩的静力测试和动力测试；⑩锚杆抗拔试验等。

以上试验技术主要用于以下几个方面：①岩土工程勘察；②地基基础的质量检测；③基坑开挖的检测与监测；④岩体原位应力测试；⑤公路、隧道、大坝、边坡等大型工程的监测和检测。除上列种类外，近年来还发展起来一些新的原位测试技术。本章主要介绍载荷试验、静力触探、标准贯入以及桩基动、静力测试等基本检测技术。

岩土工程原位测试技术是岩土工程的重要组成部分。无数实践和理论研究表明，岩土的工程性质测试成果会因其种类、状态、试验方法和技巧的不同而导致一定的差异，甚至相去甚远。沈珠江院士认为，可靠的土质参数只能通过原位测试取得。在岩土工程中，选用正确的参数远比选用计算方法重要，因而岩土工程的原位测试在岩土工程中占据了重要的地位。

3．2　静载荷试验

地基静载荷试验包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验，目的是确定地基承载力及其变性特征，螺旋板载荷试验尚可估算地基土的固结系数。载荷试验相当于在工程原位进行的缩尺原型试验，该法具有直观和可靠性高的特点，在原位测试中占有重要地位，往往成为其他方法的检验标准。本文仅介绍平板载荷试验。

3．2．1　基本原理

平板载荷试验（Plate Loading Test，简称PLT）是一种最传统的、并被广泛应用的土工原位测试方法。平板载荷试验是指在板底平整的刚性承压板上加荷，荷载通过承压板传递给地基，以测定天然埋藏条件下地基土的变形特性，评定地基土的承载力、计算地基土的变形模量并预估实体基础的沉降量。平板载荷试验的理论依据，一般是假定地基为弹性半无限体（具有变形模量E0和泊松比υ），按弹性力学的方法导出表面局部荷载作用下地基土的沉降量s计算公式。

3．2．2　试验设备与方法

1）试验设备

平板载荷试验因试验土层软硬程度、压板大小和试验面深度等不同，采用的测试设备也很多。除早期常用的压重加荷台试验装置外，目前国内采用的试验装置，大体可归纳为由承压板、加荷系统、反力系统、观测系统四部分组成。加荷系统控制并稳定加荷的大小，通过反力系统反作用于承压板，承压板将荷载均匀传递给地基土，地基土的变形由观测系统测定。

（1）承压板

承压板材质要求：压板应具有足够的刚度，不易破损、不易挠曲，压板底部光滑平整，尺寸和传力重心准确，搬运和安置方便。承压板可用混凝土、钢筋混凝土、钢板、铸铁板等制成，多以肋板加固的钢板为主。

承压板形状一般为正方形、矩形或圆形，其中圆形压板受力条件较好，最为常用。

承压板面积一般宜采用0．25～0．50 m2，对均质密实的土，可采用0．1 m2，对软土和人工填土，不应小于0．5 m2。但各国和国内各部门采用的承压板面积规定不一，如日本常用方形900 cm2，俄罗斯常用0．5 m2，我国铁道部第一设计院则根据自己的经验，按如下原则选取：

①碎石类土：压板直径宜大于碎石、卵石最大粒径的10倍；

②岩石地基：压板面积1 000 cm2；

③细颗粒土：压板面积1 000～5 000 cm2；

④视试验的均质土层厚度和加荷系统的能力、反力系统的抗力等确定之，以确保载荷试验能得出极限荷载。

（2）加荷系统

根据试验要求，采用不同规格的手动或电动控制液压千斤顶加荷，并配备不同量程的压力表或测力计控制加荷值。

（3）反力系统

加荷系统是指通过承压板对地基施加荷载的装置，一般有地锚反力装置、压重平台反力装置、锚桩横梁反力装置、锚桩横梁联合堆载反力装置四种类型。

①地锚反力装置。地锚反力装置一般由千斤顶、地锚、桁架、立柱、分立柱和拉杆六部分组成，如图3．1所示。当加荷较小时，一般在500～1 000 kN，地锚的数量及入土深度都不大。该装置小巧轻便、安装简单、成本较低，但存在荷载不易对中，油压会产生过冲的问题，且在试验过程中一旦拔出地锚，试验将无法继续下去。如果加荷过大，地锚数量增多且入土深度增大，结构变得较复杂（图3．2），安装过程长，现场采用较少。

图3．1　平板载荷试验装置（地锚）示意图

图3．2　南水北调21 000 kN基桩静载检测

②压重加荷装置。堆载反力装置使用比较广泛，尤其是复合地基承载力检测应用较多。其承重平台搭建简单，适合于不同荷载量试验，可对天然地基、复合地基和工程桩进行随机抽样检测，如图3．3、图3．4所示。在千斤顶配合下，该装置可以将力合理的施加到承压板上，荷载量的大小比较容易控制，但也存在荷载不易对中现象。

图3．3　平板载荷试验装置（堆载）示意图

图3．4　平板载荷试验装置现场堆载

许多检测单位使用混凝土预制块堆重，大大减少了安装时间，但需运输车辆及吊车配合，试验成本较高；使用水箱配重，试验结束后，由于要放水，试验后的排水工作比较难以处理。

③锚桩横梁反力装置。锚桩反力装置是将被测桩周围对称的几根锚桩用锚筋与反力架连接起来，依靠桩顶的千斤顶将反力架顶起，由被连接的锚桩提供反力，提供反力的大小由锚桩数量，反力架强度和被连接锚桩的抗拔力决定。其反力系统通常由主梁、平台、堆载体（锚桩）等构成，如图3．5、图3．6所示。锚桩反力装置一般不会受现场条件和加载吨位数的限制，当条件允许，采用工程桩作锚桩是最经济的，但在试验过程中需要观测锚桩的上拔量，以免拔断，造成工程损失。

图3．5　平板载荷试验装置（锚桩）示意图

图3．6　平板载荷现场试验（锚桩）

④锚桩横梁联合堆载反力装置。锚桩横梁联合堆载反力装置是在试桩最大加载量超过锚桩的抗拔能力时，在横梁上放置或悬挂一定重物，由锚桩和重物共同承受千斤顶加载反力的一种方式，如图3．7所示。其反力系统通常由主梁、次梁、锚桩、平台、堆载体等构成。对于大吨位载荷试验，采用该法较多。

（4）量测系统

量测系统包括基准梁、位移计、磁性表座、油压表（测力环），必要时需用精密水准仪配合量测。

机械类位移计可采用百分表，其最小刻度0．01 mm，量程一般为5～30 mm；电子类位移计一般具有量程大、无人为读数误差等特点，可以实现自动记录和绘图；油压表多为机械式，人工测读。

图3．7　长峰虹口商城锚桩堆载联合法2400T静载试验

测试用的仪表均需定期标定，一般一年标定一次或维修后标定，标定工作原则上由具有相应资质的计量局或专业厂进行，并出具检定证书。

2）测试方法及要求

（1）基本要求

①载荷试验一般在方形试坑中进行，试坑底的宽度应不小于承压板宽度（或直径）的3倍，以消除侧向土自重引起的超载影响，使其达到或接近地基的半空间平面问题边界条件的要求。试坑应布置在有代表性地点，承压板底面应放置在基础底面标高处。

②为了保持测试时地基土的天然湿度与原状结构，测试之前，应在坑底预留20～30 cm厚的原土层，待测试将开始时再挖去，并立即放入载荷板。对软黏土或饱和的松散砂，在承压板周围应预留20～30 cm厚的原土作为保护层；在试坑底板标高低于地下水位时，应先将水位降至坑底标高以下，并在坑底铺设2 cm厚的砂垫层，再放下承压板等，待水位恢复后进行试验。

③加载要求不少于8级，最大加荷不小于设计荷载的2倍（试验桩）。第一级荷载可加等级荷载的2倍。

（2）设备安装次序与要求

①安装承压板前应整平试坑底面，铺设1～2 cm厚的中砂垫层，并用水平尺找平，以保证承压板与试验面平整均匀接触。

②安装千斤顶、载荷台架或反力构架。其中心应与承压板中心一致。

③安装沉降观测装置。其支架固定点应设在不受土体变形影响的位置上，沉降观测点应对称放置。

（3）试验方法

安装完毕，即可分级加荷。试验的加载方式可采用分级维持荷载沉降相对稳定法（慢速法）、沉降非稳定法（快速法）和等沉降速率法，以慢速法为主。快速法一般2 h加一级荷载，共加8～10级；稳定法是沉降速率＜0．1 mm/h后开始加下级荷载。

①测试的第一级荷载，应将设备的自重计入，且宜接近所卸除土的自重（相应的沉降量不计）。以后每级荷载增量，一般取预估测试土层极限压力的1/8～1/10。当不宜预估其极限压力时，对较松软的土，每级荷载增量可采用10～25 kPa；对较坚硬的土，采用50 kPa；对硬土及软质岩石，采用100 kPa。

②观测每级荷载下的沉降。慢速法要求是：a．沉降观测时间间隔：加荷开始后，第一个30 min内，每10 min观测沉降一次；第二个30 min内，每15 min观测一次；以后每3 min进行一次。b．沉降相对稳定标准：连续四次观测的沉降量，每小时累计不大于0．1 mm时，方可施加下一级荷载。

（4）相对稳定标准和终止加载的条件

尽可能使最终荷载达到地基土的极限承载力，如达不到极限荷载，则最大压力应达到预期设计压力的两倍或超过第一拐点至少三级荷载，以评价承载力的安全度，但试验终止是根据相对稳定标准或终止加载条件来控制，各规范稍有差异。

①地基土（根据《建筑地基基础设计规范》）。相对稳定标准是连续两小时内，每小时的沉降量小于0．1 mm。当出现下列情况之一时，即可终止加载：a．承压板周围的土明显侧向挤出；b．沉降急剧增大，P-S曲线出现陡降段；c．24 h内，沉降随时间近等速或加速发展；d．s/b（或s/d）≥0．06（b、d为承压板的边长或直径，s为最终沉降值）。

②复合地基（根据《建筑地基处理技术规范》）。相对稳定标准是在1小时内的沉降量小于0．1 mm。当出现下列情况之一时，即可终止加载：a．沉降急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显的隆起；b．累计沉降量大于b（或d）的6%；c．当达不到极限荷载时，总加载量已为设计要求的2倍以上。

③基桩（根据《建筑桩基技术规范》）。相对稳定标准是在1小时内的沉降量小于0．1 mm。当出现下列情况之一时，即可终止加载：a．某级荷载作用下，其沉降为上级的5倍；b．某级荷载作用下，其沉降为上级的2倍，且经24 h尚未达到稳定；c．已达到锚桩的最大抗拔力或压重平台的最大重量时。

注意：当需要卸荷观测回弹时，每级卸荷量可为加荷量的2倍，历时1 h，每隔15 min观测一次。荷载完全卸除后，继续观测3 h。

3．2．3　数据整理及成果应用

大量实测结果表明，当地基土的均匀性尚可且测试过程正常时，测试得出的主要曲线（p-s曲线）是比较光滑的。在资料分析阶段发现个别点数据异常时，只要不对结果的判释有太大的影响，可以将其舍去。若测试中的异常点过多，则该次试验为不合格，应重新进行试验。

对位于承压板上百分表的现场记录读数，求取其平均值，计算出各级荷载下各观测时间的累计沉降量，对于监测地面位移的百分表，分别计算出各地面百分表的累计升降量。经确认无误后，可以绘制所需要的各种实测曲线，供进一步分析之用。

1）数据整理

地基静载试验主要应绘制P-S曲线，但根据需要，还可绘制各级荷载作用下的沉降和时间之间的关系曲线以及地面变形曲线。确定单桩竖向抗压承载力时，应绘制竖向荷载—沉降（Q-S）、沉降—时间对数（S-lg t）曲线，需要时也可绘制其他辅助分析所需曲线。

各类曲线如图3．8、图3．9和图3．10所示。

图3．8　静载试验P-S曲线

图3．9　静载试验S-lg t曲线

图3．10　静载试验S-lg P曲线

当进行桩身应力、应变和桩底反力测定时，应整理出有关数据的记录表，并按规范绘制桩身轴力分布图、计算不同土层的分层侧摩阻力和端阻力值。

2）试验成果的应用

静载试验一般用于确定地基承载力、地基变形模量和基床系数。以下介绍这些参数的计算取值方法。

（1）确定地基土承载力特征值f ak

确定地基的承载力时既要控制强度，又要能确保建筑物不致产生过大沉降。安全系数取值不小于2，但具体到各类工程时侧重点有所不同，这与工程的使用要求和使用环境有关。铁路建筑物一般以强度控制为主、变形控制为辅；工业与民用建筑则一般以变形控制为主、强度控制为辅。

《地基规范》附录C对于确定地基承载力的规定如下：

①当P-S曲线上有明确的比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；

②当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半；

③当不能按上述二款要求确定时，当压板面积为0．25～0．5 m2，可取S/b＝0．01～0．015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。

在求得地基承载力实测值后，按下述方法确定地基承载力特征值：同一土层参加统计的试验点不应少于3点，当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取此平均值作为该土层的地基承载力特征值f ak。

（2）计算地基土变形模量E0

根据荷载—沉降曲线，如图3．11，曲线前部的OA段大致成直线，说明地基的压力与变形呈线性关系，地基的变形计算可应用弹性理论公式算出土的变形模量E0。

具体做法：在P-S曲线的直线段OA上可以任选一点P和对应的S，代入公式（3．1）或（3．2），即可算出压板下压缩土层（大致3B或3D厚）内的平均E0值，并可用于计算地基沉降。

图3．11　静载试验荷载—沉降曲线

式中 μ——泊松比，可根据经验或手册的建议值确定（卵石、碎石取0．27；砂、粉土为0．3；粉质黏土为0．35；黏土为0．42；在不排水条件下的饱和黏性土可取0．5）；

E0——地基土的变形模量；其他符号同前。

（3）确定地基土的基床系数

荷载—沉降曲线前部直线段的坡度，即压力与变形比值P/S，称为地基基床系数k（kN/m3），这是一个反映地基弹性性质的重要指标，在遇到基础的沉降和变形问题，特别是考虑地基与基础的共同作用时，经常需要用到这一参数。地基基床系数k可以直接按定义确定。

［例3．1］ 如载荷试验中采用直径1．128 m的圆形压板，得出的P-S曲线如图3．11所示，已知压板下的地基土较为均匀，其横向变形系数ν可取为0．25。试根据该图确定该地基土的极限荷载Pl、承载力实测值f ak、基床系数k和变形模量E0。

解：按该图得到A点对应的荷载为350 kPa，相应的压板沉降量为12．4 mm，C点对应的荷载为500 kPa。故得到地基土的比例界限为350 kPa，极限荷载Pl为500 kPa。按规范的规定，因为比例界限不是很清晰，而极限荷载容易确定且极限荷载小于对应比例界限的2倍，故取极限荷载的一半作为该试验点的承载力实测值，即为250 kPa。

从上述计算过程可以看出，在数据处理和分析过程中不是太精确，规范的规定对很多情况也不是太明确，一般应借助于经验和理论知识，且应偏于安全。

3．3　静力触探试验

静力触探测试〔Static Cone Penetration Test〕简称静探（CPT），是把一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压入土中，并测定探头阻力等的一种测试方法。由于贯入阻力的大小与土层的性质有关，因此通过贯入阻力的变化情况，可以达到了解土层的工程性质的目的。

目前，在我国使用的静力触探仪以电测式为主。

静力触探试验可根据工程需要采用单桥探头、双桥探头或带孔隙水压力量测的单、双桥探头对地基土进行力学分层并判别土的类型，确定地基土的参数（强度、模量、状态、应力历史）、砂土液化可能性、浅基承载力、单桩竖向承载力等。静力触探试验适用于软土、一般黏性土、粉土、砂土和含少量碎石的土。静力触探的主要缺点是对碎石类土和密实砂土难以贯入，也不能直接观测土层。在地质勘探工作中，静力触探常和钻探取样联合运用。

3．3．1　基本原理

综观国内外的研究，一般都用纯砂作为试验介质。这主要是因为砂只有内摩擦角一个抗剪强度指标，便于解释静力触探机理，但用纯砂不便于研究孔压触探机理，因为纯砂中难以测得触探时产生的超孔隙水压力。为此，中国地质大学进行了以黏土为介质的原型试验，并取得了一定的研究成果。但由于土的不确定性和复杂性，以及触探时产生的土层大变形等，都对机理研究带来很大困难。因此，截至目前，触探机理的理论研究成果仍不尽人意，很多方面的研究还在探索之中。

1）承载力理论

由于CPT的贯入类似于桩的贯入过程，故很早就有人将两者进行比较，提出用深基础极限承载力的相关理论来解释静力触探的工作机理，并由静力触探的测试结果推导深基础的极限承载力，如图3．12所示。

基本思路是假设地基为刚塑体，在极限荷载的作用下地基中出现滑裂面（不同学者假定了不同的滑裂面），由此导出探头阻力和基础承载力之间的关系式。

图3．12　深基础的破坏模式

然而，由传统极限状态出发的理论不能解释稳定贯入的许多特征，基于对滑移破坏面的不同假设而得出的结果也差异颇大。其根源可能与该法将地基土理想化为刚塑体有关。静力触探的实际贯入过程主要还存在迫使土体产生压缩，这与桩的贯入是有差异的；另外，作用荷载的性质也有差异。但有意思的是，Janbu等人的理论结果和实测值相当吻合。有人认为，这是理论本身内含的正负影响因素相互抵消而致。

2）孔穴扩张理论

孔穴扩张法（Cavities Expansion Methods，简称CEM），源于弹性理论无限均质各向同性弹性体中圆柱形或球形孔穴受均布压力作用问题。该理论最初用于金属压力加工分析，随后引入土力学中，用柱状孔穴扩张解释旁压试验机理和沉桩，用球形孔穴扩张来估算深基础承载力和沉桩对周围土体的影响。

图3．13　球形孔穴附近的塑性区域

球穴在均布内压P作用下的扩张情况如图3．13所示。当P逐步增加时，孔周区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随P值的增加而不断扩大。设孔穴初始半径为R0，扩张后半径为R u，塑性区最大半径为R p，相应的孔内压力最终值为P u，在半径R p以外的土体仍保持弹性状态。圆柱形孔穴在内压力下的扩张情况与上类似，只不过一个属于球对称情况，另一个属于轴对称情况。

用孔穴扩张理论来研究CPT的机理有两种实用成果，即估算静力触探的贯入阻力和在饱和黏土中不排水贯入时初始孔隙水压的分布。孔穴扩张理论用于静力触探的机理分析主要有两点不足：一是静力触探时的土体位移实际上并不是球对称或轴对称的；另外是随着探头的贯入，孔穴中心实际上是在不断向下移动的，而并非是固定在一个位置。

除了上述理论外，还有将观察点固定在探头上，将土体视为流体的研究方法，以及有限单元法等，都获得了不少研究成果，但也都有其不足之处。

3．3．2　试验设备与方法

1）试验设备

静力触探设备试验由加压装置、反力装置、探头及量测记录仪器等四部分组成：

（1）加压装置

加压装置的作用是将探头压入土层中，按加压方式可分为下列几种：

①手摇式轻型静力触探：利用摇柄、链条、齿轮等用人力将探头压入土中。用于较大设备难以进入的狭小场地的浅层地基土的现场测试。

②齿轮机械式静力触探：主要组成部件有变速马达（功率2．8～3 kW）、伞形齿轮、丝杆、稻香滑块、支架、底板、导向轮等。其结构简单，加工方便，既可单独落地组装，也可装在汽车上，但贯入力小，贯入深度有限。

③全液压传动静力触探：分单缸和双缸两种。主要组成部件有油缸和固定油缸底座、油泵、分压阀、高压油管、压杆器和导向轮等。目前在国内使用液压静力触探仪比较普遍，一般最大贯入力可达200 kN。

（2）反力装置

静力触探的反力用以下3种形式解决：

①利用地锚作反力：当地表有一层较硬的黏性土覆盖层时，可以是使用2～4个或更多的地锚作反力，视所需反力大小而定。锚的长度一般1．5m左右，叶片的直径可分成多种，如25 cm、30 cm、35 cm、40 cm，以适应各种情况。

②用重物作反力：如地表土为砂砾、碎石土等，地锚难以下入，此时只有采用压重物来解决反力问题，即在触探架上压以足够的重物，如钢轨、钢锭、生铁块等。软土地基贯入30 m以内的深度，一般需压重物40～50 kN。

③利用车辆自重作反力：将整个触探设备装在载重汽车上，利用载重汽车的自重作反力。贯入设备装在汽车上工作方便，工效比较高，但由于汽车底盘距地面过高，使钻杆施力点距离地面的自由长度过大，当下部遇到硬层而使贯入阻力突然增大时易使钻杆弯曲或折断，应考虑降低施力点距地面的高度。

触探钻杆通常用外径φ32～35 mm、壁厚为5 mm以上的高强度无缝钢管制成，也可用φ42 mm的无缝钢管。为了使用方便，每根触探杆的长度以1 m为宜，钻杆接头宜采用平接，以减小压入过程中钻杆与土的摩擦力。

（3）探头

①探头的工作原理。将探头压入土中时，由于土层的阻力，使探头受到一定的压力。土层的强度愈高，探头所受到的压力愈大。通过探头内的阻力传感器（以下简称传感器），将土层的阻力转换为电讯号，然后由仪表测量出来。为了实现这个目的，需运用三个方面的原理，即材料弹性变形的虎克定律、电量变化的电阻率定律和电桥原理。

传感器受力后要产生变形。根据弹性力学原理，如应力不超过材料的弹性范围，其应变的大小与土的阻力大小成正比，而与传感器截面积成反比。因此，只要能将传感器的应变大小测量出，即可知土阻力的大小，从而求得土的有关力学指标。

如果在传感器上贴上电阻应变片，当传感器受力变形时，应变片也随之产生相应的应变从而引起应变片的电阻产生变化，根据电阻定律，应变片的阻值变化与电阻丝的长度变化成正比，与电阻丝的截面积变化成反比，这样就能将传感器的变形转化为电阻的变化。但由于传感器在弹性范围内的变形很小，引起电阻的变化也很小，不易测量出来。为此，在传感器上贴一组电阻应变片，组成一个电桥电路，使电阻的变化转化为电压的变化，通过放大，就可以测量出来。因此，静力触探就是通过探头传感器实现一系列量的转换：土的强度—土的阻力—传感器的应变—电阻的变化—电压的输出，最后由电子仪器放大和记录下来，达到测定土强度和其他指标的目的。

②探头的结构。目前国内用的探头有3种：单桥探头、双桥探头、孔压探头（即在单桥或双桥探头的基础上增加了能量侧孔隙水压力的功能）。

a．单桥探头：单桥探头由带外套筒的锥头、弹性元件（传感器）、顶柱和电阻应变片组成（见图3．14），锥底的截面积规格不一，常用的探头型号及规格见表3．1，其中有效侧壁长度为锥底直径的1．6倍。

图3．14　单桥探头结构示意图

表3．1　单桥探头的规格

b．双桥探头：单桥探头虽带有侧壁摩擦套筒，但不能分别测出锥头阻力和侧壁摩擦阻力。双桥探头除锥头传感器外，还有侧壁摩擦传感器及摩擦套筒。侧壁摩擦套筒的尺寸与锥底面积有关。双桥探头结构见图3．15，其规格见表3．2。

图3．15　双桥探头结构示意图
1—传力杆；2—摩擦传感器；3—摩擦筒；4—锥尖传感器；
5—顶柱；6—电阻应变片；7—钢珠；8—锥尖头

表3．2　双桥探头的规格

③探头的密封及标定。要保证传感器高精度地进行工作，就必须采取密封、防潮措施，否则因传感器受潮而降低其绝缘电阻，使零漂增大，严重时电桥不能平衡，测试工作无法进行。密封方法有包裹法、堵塞法、充填法等。用充填法时应注意利用中性填料，且填料要呈软膏状，以免对应变片产生腐蚀或影响信号的传递。

目前国内较常用的密封防水方法是在探头丝扣接口处涂上一层高分子液态橡胶，然后将丝扣上紧。在电缆引出端，用厚的橡胶垫圈及铜垫圈压紧，使其与电缆紧密接触，起到密封的作用，而摩擦传感器则采用自行车内轮胎的橡胶膜套上，两端用尼龙线扎紧，对于摩擦传感器与上接头连接的伸缩缝，可用弹性和密封性能都好的704硅橡胶填充。

密封好的探头要进行标定，找出探头内传感器的应变值与贯入阻力之间的关系后才能使用。标定工作可在特制的磅秤架上进行，也可在材料实验室利用50～100 kN的压力机进行，但最好是使用30～50 kN的标准测力计，这样能在野外工作过程中随时标定，方便且精度较高。

每个传感器需标定3～4次，每次需转换不同方位。标定过程应耐心细致，加荷速度要慢。将标定结果绘在坐标纸上，纵坐标代表压力，横坐标代表输出电压（单位：mV）或微应变（单位：με）。在正常情况下，各标定的点应在一条通过原点的直线上，如不通过原点，且截距较大时，可能是应变片未贴好，或探头结构上存在问题，应找出原因后采取措施。

（4）量测记录仪器

我国的静力触探几乎全部采用电阻应变式传感器。因此，与其配套的记录仪器主要有以下4种类型：电阻应变仪，自动记录绘图仪，数字式测力仪，数据采集仪（微机控制）。

①电阻应变仪。从20世纪60年代起至70年代中期，一直是采用电阻应变仪。电阻应变仪具有灵敏度高、测量范围大、精度高和稳定性好等优点。但其操作是靠手动调节平衡，跟踪读数，容易造成误差；因为是人工记录，故不能连续读数，不能得到连续变化的触探曲线。

②自动记录仪。我国现在生产的静力触探自动记录仪都是用电子电位差计改装的。这些电子电位差计都只有一种量程范围。为了在阻力大的地层中能测出探头的额定阻力值，也为了在软层中能保证测量精度，一般都采用改变供桥电压的方法来实现。早期的仪器为可选式固定桥压法，一般分成3～5挡，桥压分别为2、4、6、8、10 V，可根据地层的软硬程度选择。这种方式的优点是电压稳定，可靠性强；但资料整理工作量大。现在已有可使供桥电压连续可调的自动记录仪。

③数字式测力仪。数字式测力仪是一种精密的测试仪表。这种仪器能显示多位数，具有体积小、质量轻、精度高、稳定可靠、使用方便、能直读贯入总阻力和计算贯入指标简单等优点，是轻便链式十字板和静力触探两用机的配套量测仪表。国内已有多家生产。这种仪器的缺点是间隔读数，手工记录。

④微机在静探中的应用。以上介绍的各种仪器的功能均比较简单，虽然能满足一般生产的需要，但资料整理时工作量大，效率低。用微型计算机采集和处理数据已在静力触探测试中得到了广泛应用。计算机控制的实时操作系统使得触探时可同时绘制锥尖阻力与深度关系曲线，侧壁摩阻力与深度关系曲线，终孔时，可自动绘制摩阻比与深度关系曲线。通过人机对话能进行土的分层，并能自动绘制出分层柱状图，打印出各层层号、层面高程、层厚、标高以及触探参数值。

2）试验方法及注意事项

（1）操作方法

①将触探机就位后，应调平机座，并使用水平尺校准，使贯入压力保持竖直方向，并使机座与反力装置衔接、锁定。当触探机不能按指定孔位安装时，应将移动后的孔位和地面高程记录清楚。

②探头、电缆、记录仪器的接插和调试，必须按有关说明书要求进行。

③触探机的贯入速率，应控制在1～2 cm/s内，一般为2 cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。

④在地下水埋藏较深的地区使用孔压探头触探时，应先使用外径不小于孔压探头的单桥或双桥探头开孔至地下水位以下，而后向孔内注水至与地面平，再换用孔压探头触探。

⑤探头的归零检查应按下列要求进行：a．使用单桥或双桥探头时，当贯入地面以下0．5～1．0 m后，上提5～10 cm，待读数漂移稳定后，将仪表调零即可正式贯入。在地面以下1～6 m内，每贯入1～2 m提升探头5～10 cm，并记录探头不归零读数，随即将仪器调零。孔深超过6 m后，可根据不归零读数之大小，放宽归零检查的深度间隔。终孔起拔时和探头拔出地面后，亦应记录不归零读数。b．使用孔压探头时，在整个贯入过程中不得提升探头。终孔后，待探头刚一提出地面时，应立即卸下滤水器，记录不归零读数。

⑥使用记读式仪器时，每贯入0．1 m或0．2 m应记录一次读数；使用自动记录仪时，应随时注意桥压、走纸和划线情况，做好深度和归零检查的标注工作。

⑦若计深标尺设置在触探主机上，则贯入深度应以探头、探杆入土的实际长度为准，每贯入3～4 m校核一次。当记录深度与实际贯入长度不符时，应在记录本上标注清楚，作为深度修正的依据。

⑧当在预定深度进行孔压消散试验时，应从探头停止贯入之时起，用秒表记时，记录不同时刻的孔压值和锥尖阻力值。其计时间隔应由密至疏，合理控制。在此试验过程中，不得松动、碰撞探杆，也不得施加能使探杆产生上、下位移的力。

⑨对于需要作孔压消散试验的土层，若场区的地下水位未知或不确切，则至少应有一孔孔压消散达到稳定值，以连续2 h内孔压值不变为稳定标准。其他各孔、各试验点的孔压消散程度，可视地层情况和设计要求而定，一般当固结度达60%～70%时，即可终止消散试验。

⑩遇下列情况之一者，应停止贯入，并应在记录表上注明。a．触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；b．贯入时探杆出现明显弯曲；c．反力装置失效；d．探头负荷达到额定荷载时；e．记录仪器显示异常。

起拔最初几根探杆时，应注意观察、测量探杆表面干、湿分界线距地面的深度，并填入记录表的备注栏内或标注于记录纸上。同时，应于收工前在触探孔内测量地下水位埋藏深度；有条件时，宜于次日核查地下水位。

将探头拔出地面后，应对探头进行检查、清理。当移位于第二个触探孔时，应对孔压探头的应变腔和滤水器重新进行脱气处理。

记录人员必须按记录表要求用铅笔逐项填记清楚，记录表格式，可按以上测试项目制作。

（2）注意事项

①保证行车安全，中速行驶，以免触探车上仪器设备被颠坏。

②触探孔要避开地下设施（管路、地下电缆等），以免发生意外。

③安全用电，严防触（漏）电事故。工作现场应尽量避开高压线、大功率电机及变压器，以保证人身安全和仪表正常工作。

④在贯入过程中，各操作人员要相互配合，尤其是操纵台人员，要严肃认真、全神贯注，以免发生仪器设备事故或人身安全事故。司机要坚守岗位，及时观察车体倾斜、地铺松动等情况，并及时通报车上操作人员。

⑤精心保护好仪器，须采取防雨、防潮、防震措施。

⑥触探车不用时，要及时用支腿架起，以免汽车弹簧钢板过早疲劳。

⑦保护好探头，严禁摔打探头；避免探头暴晒和受冻；不许用电缆线拉探头；装卸探头时，只可转动探杆，不可转动探头；接探杆时，一定要拧紧，以防止孔斜。

⑧当贯入深度较大时，探头可能会偏离铅垂方向，使所测深度不准确。为了减少偏移，要求所用探杆必须是平直的，并要保证在最初贯入时不应有侧向推力。当遇到硬岩土层以及石头、砖瓦等障碍物时，要特别注意探头可能发生偏移的情况。国外一些工程中，已把测斜仪装入探头，以测其偏移量，这对成果分析很重要。

⑨锥尖阻力和侧壁摩阻力虽是同时测出的，但所处的深度是不同的。当对某一深度处的锥头阻力和摩阻力作比较时，例如计算摩阻比时，须考虑探头底面和摩擦筒中点的距离，如贯入第一个10 cm时，只记录q c；从第二个10 cm以后才开始同时记录q c和f s。

⑩在钻孔、触探孔、十字板试验孔旁边进行触探时，离原有孔的距离应大于原有孔径的20～25倍，以防土层扰动。如要求精度较低时，两孔距离也可适当缩小。

3．3．3　数据整理与成果应用

单孔触探成果应包括以下几项基本内容：a．各触探参数随深度的分布曲线；b．土层名称及潮湿程度（或稠度状态）；c．各层土的触探参数值和地基参数值；d．对于孔压触探，如果进行了孔压消散试验，尚应附上孔压随时间而变化的过程曲线，必要时，可附上锥尖阻力随时间而改变的过程曲线。

1）原始数据的修正

在贯入过程中，探头受摩擦而发热，探杆会倾斜和弯曲，探头入土深度很大时探杆会有一定量的压缩，仪器记录深度的起始面与地面不重合，等等，这些因素会使测试结果产生偏差。因而原始数据一般应进行修正。修正的方法一般按《静力触探技术规程》TBJ 37—93的规定进行。主要应注意深度修正和零漂处理。

（1）深度修正

当记录深度于实际深度有出入时，应按深度线性修正深度误差。对于因探杆倾斜而产生的深度误差可按下述方法修正：

触探的同时量测触探杆的偏斜角（相对铅垂线），如每贯入1 m测了1次偏斜角，则该段的贯入修正量为：

式中 Δhi——第i段贯入深度修正量；

θi，θi－1——第i次和第i－1次实测的偏斜角。

触探结束时的总修正量为ΣΔhi，实际的贯入深度应为h－ΣΔhi。

实际操作时应尽量避免过大的倾斜、探杆弯曲和机具方面产生的误差。

（2）零漂修正

一般根据归零检查的深度间隔按线性内查法对测试值加以修正。修正时应注意不要形成人为的台阶。

2）触探曲线的绘制

当使用自动化程度高的触探仪器时，需要的曲线均可自动绘制，只有在人工读数记录时才需要根据测得的数据绘制曲线。

需要绘制的触探曲线包括p s-h或q c-h、f s-h和Rf-h曲线。

3）成果应用

静力触探试验成果可用于以下方面：a．查明地基土在水平方向和垂直方向的变化，划分土层，确定土的类别；b．确定建筑物地基土的承载力和变形模量以及其他物理力学指标；c．选择桩基持力层，预估单桩承载力，判别桩基沉入的可能性；d．检查填土及其他人工加固地基的密实程度和均匀性，判别砂土的密度及其在地震作用下的液化可能性；e．湿陷性黄土地区用来查找浸水湿陷事故的范围和界线。

（1）按贯入阻力进行土层分类

①分类方法。利用静力触探进行土层分类，由于不同类型的土可能有相同的p s、q c或f s值，因此单靠某个指标，是无法对土层进行正确分类的。在利用贯入阻力进行分层时，应结合钻孔资料进行判别分类。使用双桥探头时，由于不同土的q c和f s值不可能都相同，因而可以利用q c和f s/q c（摩阻比）两个指标来区分土层类别。对比结果证明，用这种方法划分土层类别效果较好。

②利用q c和f s/q c分类的一些经验数据（见表3．3）。

表3．3　按静力触探指标划分土类

③铁道部《静力触探技术规则》（1989年）使用双桥探头资料，可按图3．16划分土类。

图3．16　土的分类图（双桥探头法TBJ 37—93）

（2）确定地基土的承载力

利用静力触探确定地基土的承载力，国内外都是根据对比试验结果提出经验公式。建立经验公式的途径主要是将静力触探试验结果与载荷试验求得的比例界限值进行对比，并通过对比数据的相关分析得到用于特定地区或特定土性的经验公式。对于粉土则采用下式：

式中 f o——地基承载力基本值，kPa；

p s——单桥探头的比贯入阻力，单位为MPa。

（3）确定不排水抗剪强度C u值

用静力触探求饱和软黏土的不排水综合抗剪强度（C u），目前是用静力触探成果与十字板剪切试验成果对比，建立p s与C u之间的关系，以求得C u值，其相关式见表3．4。

表3．4　软土C u（kPa）与p s、q c （MPa）相关公式

（4）确定土的变形性质指标

①基本公式：Buisman曾建议砂土的E s-q c关系式为：

式中 E s——固结试验求得的压缩模量，MPa。

该公式是由下列假设推出来的：a．触探头类似压进半无限弹性压缩体的圆锥；b．压缩模量是常数，并且等于固结试验的压缩模量E s；c．应力分布的Boussinesq理论是适用的；d．与土的自重应力σ0相比，应力增量Δσ很小。

②E0、p s和E s、p s的经验式列于表3．5。

表3．5　按比贯入阻力p s确定E0和E s

（5）估算单桩承载力

静力触探试验可以看作一小直径桩的现场载荷试验。对比结果表明，用静力触探成果估算单桩极限承载力是行之有效的。通常是双桥探头实测曲线进行估算。现将采用双桥探头实测曲线估算单桩承载力的经验式介绍如下。

按双桥探头q c、f s估算单桩竖向承载力计算式如下：

式中 p u——单桩竖向极限承载力，kN；

a——桩尖阻力修正系数，对黏性土取2/3，对饱和砂土取1/2；

q c——桩端上下探头阻力，取桩尖平面以上4d（d为桩的直径）范围内按厚度的加权平均

值，然后再和桩尖平面以下1d范围的q c值平均，kPa；

fsi——第i层土的探头侧壁摩阻力，kPa；

i——第i层土桩身侧摩阻力修正系数，按下式计算：

式中 Up——桩身周长，m。

确定桩的承载力时，安全系数取2～2．5，以端承力为主时取2，以摩阻力为主时取2．5。

除了在上述方面有着广泛的应用外，静力触探技术还可用于推求土的物性参数（密度、密实度等）、力学参数（c、φ、E0、E s等），检验地基处理后的效果，测定滑坡的滑动面以及判断地基的液化可能性等。

3．4　圆锥动力触探和标准贯入试验

由于动力触探试验具有简易快速及适应性广等突出优点，应用广泛。对难以取原状土样的无黏性土和用静探难以贯入的卵砾石层，圆锥动力触探是十分有效的勘测和检验手段。

3．4．1　基本原理

动力触探是将重锤打击在一根细长杆件（探杆）上，锤击会在探杆和土体中产生应力波，如果略去土体震动的影响，那么动力触探锤击贯入过程可用一维波动方程来描述。

动力触探基本原理也可以用能量平衡法来分析，现将分析方法叙述如下。

对于一次锤击作用下的功能转换，按能量守恒原理，其关系可写成：

式中 E m——穿心锤下落能量；

E k——锤与触探器碰撞时损失的能量；

E e——触探器弹性变形所消耗的能量；

E f——贯入时用于克服杆侧壁摩阻力所耗能量；

E p——由于土的塑性变形而消耗的能量；

E e——由于土的弹性变形而消耗的能量。

各项能量的计算式如下：

落锤能量：

式中 M——重锤质量；

h——重锤落距；

g——重力加速度；

η——落锤效率（考虑受绳索、卷筒等摩擦的影响，当采用自动脱钩装置时η＝1）。

碰撞时的能耗，根据牛顿碰撞理论得：

式中 m——触探器质量；

k——与碰撞体材料性质有关的碰撞作用恢复系数。

触探器弹性变形的能耗：

式中 l——触探器贯入部分长度；

E——探杆材料弹性模量；

a——探杆截面积；

R——土对探头的贯入总阻力，kN。

土的塑性变形能：

式中 S p——每锤击后土的永久变形量（可按每锤击时实测贯入度e计）。

土的弹性变形能：

式中 S e——每锤击时土的弹性变形量。

S e值在试验时未测出，可利用无限半空间上作用集中荷载时的明德林（Mindlin）解答并通过击数与土的刚度建立的如下关系确定。

式中 D——探头直径，m；

A——探头截面积，m2；

N——永久贯入量为0．1 m时的击数；

p0——基准压力，P0＝1 kPa；

β——土的刚度系数（经验值：黏性土，β＝800；砂土，β＝4 000）。

将式（3．8）—式（3．14）合并整理得：

式中 f——土对探杆侧壁摩擦力，kN。

如果将探杆假定为刚性体（即杆无变形），不考虑杆侧壁摩擦力影响，则（3．15）式变成海利（Hiley A．）动力公式：

考虑在动力触探测试中，只能量测到土的永久变形，故将和弹性有关的变形略去，因此，土的动贯入阻力R d也可表示为（3．17）式，称荷兰动力公式。

式中 e——贯入度，mm，即每击的贯入深度，e＝ΔS/n，ΔS为每一阵击（n击）的贯入深度，mm；

A——圆锥探头的底面积，m2。

3．4．2　试验设备与方法

1）试验设备

动力触探使用的设备包括动力设备和贯入系统两大部分。动力设备的作用是提供动力源，为便于野外施工，多采用柴油发动机；对于轻型动力触探也有采用人力提升方式的。贯入部分是动力触探的核心，由穿心锤、探杆和探头组成。

根据所用穿心锤的质量将动力触探试验分为轻型、中型、重型和超重型等种类。动力触探类型及相应的探头和探杆规格见表3．6。

在各种类型的动力触探中，轻型适用于一般粘性土及素填土，特别适用于软土，重型适用于砂土及砾砂土，超重型适用于卵石、砾石类土。重型锤动能大，可击穿硬土；轻型锤动能小，可击穿软土，又能得到一定锤击数，使测试精度提高。现场测试时应根据地基土的性质选择适宜的动探类型。

虽然各种动力触探试验设备的质量相差悬殊，但其仪器设备的形式却大致相同，如图3．17所示。目前常用的机械式动力触探中的轻型动力触探仪的贯入系统包括了穿心锤、导向杆、锤垫、探杆和探头五个部分。其他类型的贯入系统在结构上与此类似，差别主要体现在细部规格上。轻型动力触探使用的落锤质量小，可以使用人力提升的方式，故锤体结构相对简单；重型和超重型动力触探的落锤质量大，使用时需借助机械脱钩装置，故锤体结构要复杂得多。常用的机械脱钩装置（提引器）的结构各异，但基本上可分为两种形式。

表3．6　常用动力触探类型及规格

①内挂式（提引器挂住重锤顶帽的内缘而提升）：它是利用导杆缩径，使提引器内活动装置（钢球、偏心轮或挂钩等）发生变位，完成挂锤、脱钩及自由下落的往复过程。内挂式脱钩装置如图3．18所示。

②外挂式（提引器挂住重锤顶帽的外缘而提升）：它是利用上提力完成挂锤，靠导杆顶端所设弹簧锥套或凸块强制挂钩张开，使重锤自由下落。

20世纪80年代前，国内外都用手拉绳（或卷扬机）提锤、放锤，和现在的自动脱钩式不同。国际上使用的探头规格较多，而我国的常用探头直径约5种，锥角基本上只有60°一种。图3．19是重型和超重型探头的结构图。标准贯入使用的仪器除贯入器外与重型动力触探的仪器相同。我国使用的贯入器如图3．20。

图3．17　轻型动力触探仪（单位：mm）

图3．18　偏心轮缩径式

图3．19　重型和超重型探头的结构（单位：mm）

图3．20　标准贯入器
（单位：mm）

2）试验方法

（1）轻型、重型、超重型动力触探的测试程序和要求

①轻型动力触探：

a．先用轻便钻具钻至试验土层标高以上0．3 m处，然后对所需试验土层连续进行触探。

b．试验时，穿心锤落距为（0．50±0．02）m，使其自由下落，记录每打入土层中0．30 m时所需的锤击数（最初0．30 m可以不记）。

c．若需描述土层情况时，可将触探杆拨出，取下探头，换钻头进行取样。

d．如遇密实坚硬土层，当贯入0．30 m所需锤击数超过100击或贯入0．15 m超过50击时，即可停止试验，如需对下卧土层进行试验时，可用钻具穿透坚实土层后再贯入。

e．本试验一般用于贯入深度小于4 m的土层，必要时，也可在贯入4 m后，用钻具将孔掏清，再继续贯入2 m。

②重型动力触探：

a．试验前将触探架安装平稳，使触探保持垂直地进行，垂直度的最大偏差不得超过2%，触探杆应保持平直，连接牢固。

b．贯入时，应使穿心锤自由落下，落锤高度为（0．76±0．02）m，地面上的触探杆的高度不宜过高，以免倾斜与摆动太大。

c．锤击速率宜为每分钟15～30击，打入过程应尽可能连续，所有超过5 min的间断都应在记录中予以注明。

d．及时记录每贯入0．10 m所需的锤击数，其方法可在触探杆上每0．1m画出标记，然后直接（或用仪器）记录锤击数；也可以记录每一阵击的贯入度，然后再换算为每贯入0．1 m所需的锤击数。最初贯入的1 m内可不记读数。

e．对于砂、圆砾和卵石，触探深度不宜超过12～15 m；超过该深度时，需考虑触探杆的侧壁摩阻影响。

f．每贯入0．1 m所需锤击数连续3次超过50击时，即停止试验。如需对下部土层继续进行试验时，可改用超重型动力触探。

g．本试验也可在钻孔中分段进行，一般可先进行贯入，然后进行钻探，直至动力触探所测深度以上1 m处，取出钻具将触探器放入孔内再进行贯入。

③超重型动力触探：

a．贯入时穿心锤自由下落，落距为（1．00±0．02）m。贯入深度一般不宜超过20 m，超过此深度限值时，需考虑触探杆侧壁摩阻的影响。

b．其他步骤可参照重型动力触探进行。

（2）标准贯入试验

标准贯入试验的设备和测试方法在世界上已基本统一。按水电部土工试验规程SD 128—86规定，其测试程序和相关要求如下：

①先用钻具钻至试验土层标高以上0．15 m处，清除残土。清孔时，应避免试验土层受到扰动。当在地下水位以下的土层中进行试验时，应使孔内水位保持高于地下水位，以免出现涌砂和塌孔；必要时，应下套管或用泥浆护壁。

②贯入前应拧紧钻杆接头，将贯入器放入孔内，避免冲击孔底，注意保持贯入器、钻杆、导向杆连接后的垂直度。孔口宜加导向器，以保证穿心锤中心施力。贯入器放入孔内后，应测定贯入器所在深度，要求残土厚度不大于0．1 m。

③将贯入器以每分钟击打15～30次的频率，先打入土中0．15 m，不计锤击数，然后开始记录每打入0．10 m及累计0．30 m的锤击数N，并记录贯入深度与试验情况。若遇密实土层，锤击数超过50击时，不应强行打入，并记录50击的贯入深度。

④旋转钻杆，然后提出贯入器，取贯入器中的土样进行鉴别、描述记录，并测量其长度。将需要保存的土样仔细包装、编号，以备试验之用。

⑤重复①～④步骤，进行下一深度的标贯测试，直至所需深度。一般每隔1 m进行一次标贯试验。

⑥注意事项：

a．须保持孔内水位高出地下水位一定高度，以免塌孔，保持孔底土处于平衡状态，不使孔底发生涌砂变松而影响N值。

b．下套管不要超过试验标高。

c．须缓慢地下放钻具，避免孔底土的扰动。

d．细心清除孔底浮土，孔底浮土应尽量少，其厚度不得大于10 cm。

e．如钻进中需取样，则不应在锤击法取样后立刻做标贯，而应在继续钻进一定深度（可根据土层软硬程度而定）后再做标贯，以免人为增大N值。

f．钻孔直径不宜过大，以免加大锤击时探杆的晃动；钻孔直径过大时，可减少N至50%。建议钻孔直径上限为100 mm，以免影响N值。

标贯和圆锥动力触探测试方法的不同点，主要是不能连续贯入，每贯入0．45 m必须提钻一次，然后换上钻头进行回转钻进至下一试验深度，重新开始试验。另外，标贯试验不宜在含有碎石的土层中进行，只宜用于粘性土、粉土和砂土中，以免损坏标贯器的管靴刃口。

3．4．3　资料整理与成果应用

1）资料整理

（1）触探指标

①锤击数N值：以贯入一定深度的锤击数N（如N10、N63．5、N120）作为触探指标，可以通过N值与其他室内试验和原位测试指标建立相关关系式，从而获得土的物理力学性质指标。这种方法比较简单、直观，使用也较方便，因此被国内外广泛采用。但它的缺陷是不同触探参数得到的触探击数不便于互相对比，而且它的量纲也无法与其他物理力学性质指标一起计算。近年来，国内外倾向于用动贯入阻力来替代锤击数。

②动贯入阻力q d：欧洲触探试验标准规定了贯入120 cm的锤击数和动贯入阻力两种触探指标。我国《岩土工程勘察规范》虽然只规定了锤击数，但在条文说明中指出，也可以采用动贯入阻力作为触探指标。

以动贯入阻力作为动力触探指标的意义在于：a．采用单位面积上的动贯入阻力作为计量指标，有明确的力学量纲，便于与其他物理量进行对比；b．为逐步走向读数量测自动化（例如应用电测探头）创造相应条件；c．便于对不同的触探参数（落锤能量、探头尺寸）的成果资料进行对比分析。

荷兰公式是目前国内外应用最广泛的动贯入阻力计算公式，我国《岩土工程勘察规范》和水利电力部《土工试验规程》都推荐该公式。该公式是建立在古典牛顿碰撞理论基础上的，它假定：绝对非弹性碰撞，完全不考虑弹性变形能量的消耗。在应用动贯入阻力计算公式时，应考虑下列条件限制：a．每击贯入度在0．2～5．0 cm；b．触探深度一般不超过12 cm；c．触探器质量M′与落锤质量M之比不大于2。该公式为

式中 q d——动力触探动贯入阻力，MPa；

M——落锤质量，kg；

M′——触探器（包括探头、触探杆、锤座和导向杆）的质量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

H——落距，m；

A——圆锥探头截面积，cm2；

e——贯入度，cm，e＝D/N，D为规定贯入深度，N为规定贯入深度的击数。

（2）触探曲线

动力触探试验资料应绘制触探击数（或动贯入阻力）与深度的关系曲线。触探曲线可绘成直方图，见图3．21。根据触探曲线的形态，结合钻探资料，可进行土的力学分层。但在进行土的分层和确定土的力学性质时应考虑触探的界面效应，即“超前”和“滞后”反应。当触探探头尚未达到下卧土层时，在一定深度以上，下卧土层的影响已经超前反应出来，叫做超前反应；当探头已经穿过上覆土层进入下卧土层中时，在一定深度以内，上覆土层的影响仍会有一定反应，这叫做滞后反应。

图3．21　动力触探击数随深度分布的直方图及土层划分

据试验研究，当上覆为硬层下卧为软层时，对触探击数的影响范围大，超前反应量（一般为0．5～0．7 m）大于滞后反应量（一般为0．2 m）；上覆为软层下卧为硬层时，影响范围小，超前反应量（一般为0．1～0．2 m）小于滞后反应量（一般为0．3～0．5 m）。在划分地层分界线时应根据具体情况做适当调整：触探曲线由软层进入硬层时，分层界线可定在软层最后一个小值点以下0．1～0．2 m处；触探曲线由硬层进入软层时，分层界线可定在软层第一个小值点以上0．1～ 0．2 m处。根据各孔分层的贯入指标平均值，用厚度加权平均法计算场地分层贯入指标平均值和变异系数。

（3）标贯测试成果整理

①求锤击数N：如土层不太硬，并能较容易地贯穿0．30 m的试验段，则取贯入0．30 m的锤击数N。如土层很硬，不宜强行打入时，可用下式换算相应于贯入0．30 m的锤击数N。

式中 n——所选取的贯入深度的锤击数；

ΔS——对应锤击数n的贯入深度，m。

②绘制N-h关系曲线。

2）成果应用

（1）划分土层

根据动力触探击数可粗略划分土类（图3．22）。一般来说，锤击数越少，土的颗粒越细；锤击次数越多，土的颗粒越粗。

该法如与其他测试方法同时应用，则精度会进一步提高。例如在工程中常将动、静力触探结合使用，或辅之以标贯试验，还可同时取土样，直接进行观察和描述，也可进行室内试验检验。根据触探击数和触探曲线的形状，将触探击数相近的一段作为一层，据之可以划分土层剖面，并求出每一层触探击数的平均值，定出土的名称。动力触探曲线和静力触探一样，有超前段、常数段和滞后段。在确定土层分界面时，可参考静力触探的类似方法。

（2）确定地基土的承载力

用动力触探和标准贯入的成果确定地基土的承载力已被多种规范所采纳，如《地基规范》《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ 7—74）和《湿陷性黄土地区建筑规范》（TJ 25—78）等，各规范均提出了相应的方法和配套使用的表格。此方面内容请见相应规范或参考书。

中国建筑西南勘察院采用120 kg重锤和直径60 mm探杆的超重型动探，并与载荷试验的比例界限值pl进行统计，对比资料52组，得如下公式：

式中 f K——地基土承载力标准 值，kPa；

N120——校正后的超重型动探击数，击/10 cm。

中国地质大学（武汉）对粘性土也有类似经验公式：

式中 f K——地基土承载力标准值；

N63．5——重型动探击数，击/10 cm。

上列两公式均为经验公式，带有地区性，使用时应注意其限制和积累经验。

（3）求单桩容许承载力

动力触探试验对桩基的设计和施工也具有指导意义。实践证明，动力触探不易打入时，桩也不易打入。这对确定桩基持力层及沉桩的可行性具有重要意义。用标准贯入击数预估打入桩的极限承载力是比较常用的方法，国内外都在采用。具体方法请见参考书。由于动力触探无法实测地基土的极限侧壁摩阻力，因而用于桩基勘察时，主要是采用以桩端承载力为主的短桩。

（4）按动力触探和标准贯入击数确定粗粒土的密实度

动力触探主要适用于粗粒土，用动力触探和标准贯入测定粗粒土的状态有其独特的优势。标准贯入可适用于砂土，动力触探可适用于砂土和碎石土。

成都地区根据动力触探击数确定碎石土密实度的规定如表3．7所示。

表3．7　成都地区碎石土的密实度划分标准

利用动力触探和标准贯入的测试成果还可以确定黏性土的黏聚力c及内摩擦角φ，确定地基土的变形模量，检验碎石桩的施工质量，标准贯入法还是目前被认可的判断砂土液化可能性的较好方法。

总之，动探和标贯的优点很多，应用广泛，但影响其测试成果精度的因素也很多，所测成果的离散性大，因此是一种较粗糙的原位测试方法。在实际应用时，应与其他测试方法配合，在整理和应用测试资料时，运用数理统计方法有助于取得较好的效果。

3．4．4　实例分析

南方地区花岗岩分布广泛，较大部分直接出露地表，形成山地，其边缘地区以残丘形式出现，覆盖层较厚。场地风化类剖面岩土分层也较简单，一般分为残积层、全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩和新鲜岩等。

甘肃省水利水电勘测设计研究院郑宝平根据粤北京珠高速公路、韶关电厂、广州南岗及深圳部分地区的岩土工程勘察项目的重型动力触探试验、标准贯入试验及锤击数进行比较，对其进行了土的分类研究，所收集的资料中动力触探锤击数及标准贯入试验锤击数都经过杆长修正。

标准贯入试验锤击数与动力触探锤击数散点及拟合曲线关系如图3．22所示。拟合散点图分析结果，标准贯入试验锤击数N与动力触探锤击数N63．5拟合方程为：

图3．22　标贯试验击数与动力触探击数散点及拟合曲线

上式适用于重型动力触探深度小于20 m，相关系数r＝0．895 3。

1）划分花岗岩风化土

根据国家标准《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2002），用标准贯入试验锤击数（校正值）划分花岗岩风化土：N＜30击为残积土，30≤N≤50击为全风化岩，N＞50击为强风化岩。

由式（3．22）得，N63．5＜9．8击为残积土，9．8≤N63．5≤22．5击为全风化岩，N63．5＞22．5击为强风化岩，同时根据触探曲线形态判断超前或滞后现象，对土层进行分层。

2）确定地基土承载力标准值

根据国家标准《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2002），花岗岩残积土砂质黏性土和花岗岩风化土的承载力如表3．8、表3．9所示。

表3．8　花岗岩残积土承载力标准值f k

表3．9　用N63．5来确定花岗岩风化土承载力标准值f k

3．5　基桩检测方法简介

桩基础能否既经济又安全地通过设置在土中的基桩，将外荷载传递到深层土体中，主要取决于基桩桩身质量与基桩承载力是否能达到设计要求。基桩检测是指：①对基桩桩身质量进行检测，查清桩身缺陷及位置，以便对影响桩基承载力和寿命的桩身缺陷进行必要的补救，同时达到对桩身质量普查的目的；②对基桩承载力进行检测，达到判定与评价基桩承载力是否满足设计要求的目的。基桩检测可进一步延伸到对桩基础质量的验收与评定。

基桩检测主要在桩基础施工前和施工后进行，是桩墓础设计和施工质量验收中的重要组成部分。

3．5．1　检测方法及分类

对基桩检测方法进行分类，并对各种检测方法的适用条件，优缺点进行分析研究，同时结合具体工程的特点，经济、合理地选用检测方法，是保证检测工作质量的最重要的前提。根据检测目的可分为基桩完整性检测和基桩承载力检测。

（1）基桩完整性检测方法

基桩完整性检测方法主要有钻孔取芯法、埋管式声波透射法和高低应变动力检测法。检测目的主要包括：检验桩长、混凝土强度；检测桩身缺陷、位置，判定完整性类别；检测灌注桩桩底沉渣，桩端岩土性状。

大直径灌注桩基桩完整性检测的主要方法有钻孔取芯祛、埋管式声波透射祛和高低应变动力检测法等。钻芯法可检测钻孔桩桩长、桩身混凝土质量、桩底沉渣厚度，判定或鉴别桩端岩土性状，判定桩身完整性类别。其他方法可检测缺陷及其位置，判定桩身完整性类别。

预制桩、小直径灌注桩等桩型，基桩完整性检测主要采用高低应变动力检测法，检测缺陷及其位置，判定桩身完整性类别。

目前声波透射法、高低应变法等桩身完整性检测方法由于检测原理、仪器设备、数据处理等方面具有局限性，一般适用符合“一维均质杆件”假定的混凝土桩，不能完全适用于组合桩、异形桩、薄壁钢管桩；地基处理中应用的水泥搅拌桩，碎石桩、低强度等级混凝土桩、CPG桩等桩型也不能简单套用桩基工程中的基桩完整性检测方法，只有在其桩身条件符合基桩完整性检测方法要求时，才能有选择地应用，但检测数量、结果评定，一定要按照地基处理技术要求执行。

（2）基桩承载力检测方法

基桩承载力检测方法主要有基桩静载试验、高应变动力检测。

基桩静载试验的目的：①确定单桩的竖向抗压、竖向抗拔、水平向极限承载力，并对工程桩承载力进行检验和评价；②单桩竖向抗压静载试验，当同时预埋桩底沉降测管与桩底反力和桩身应力、应变等测量元件时，或同时预埋桩身位移测杆时，尚可直接测定桩周各土层的极限侧摩阻力和桩的极限端阻力或桩身截面的位移量；③单桩水平静载试验确定地基土的水平抗力系数，当埋设有桩身应力测量元件时，可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。

根据以上目的，基桩静力载荷试验又可分为：①单桩竖向抗压静载试验；②单桩竖向抗拔静载试验；③单桩水平静载试验和水平反复载荷试验。

基桩高应变动力检测的目的：①判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求；②检测及判定桩身完整性；③分析桩侧和桩端土阻力；④预制桩打桩监测。

根据以上检测目的，高应变法可分为预制桩施工监测与基桩成桩质量检测。一般高应变检测适用符合“一维均质杆件”假定的混凝土桩，承载力检测应具有现场实测经验和本地区相近条件下的可靠动静对比资料。根据单桩承力判定方法可分为CASE法与曲线拟合法。

基桩的静载试验是指在桩顶部逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力，观测桩顶部随时间产生的沉降，上拔位移或水平位移，以确定相应的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔力或单桩水平承载力的试验方法。其操作与地基静载类似，可以参照相关规范执行，这里主要对基桩动力测试和钻芯法作简要介绍。

3．5．2　低应变检测

基桩低应变动测是通过对桩顶施加激振能量，引起桩身及周围土体的微幅振动，用仪表记录桩顶的速度与加速度，利用波动理论对记录结果加以分析，目的是判断桩身完整性，预估基桩承载力，具有快速、经济等特点。反射波法是目前应用最普通、最常用的一种方法。

1）反射波法测定桩身质量的基本原理

根据一维波在直杆中的传播规律，桩顶受一瞬时锤击力，压力波以波速c向桩底传播，如果遇到桩身阻抗发生变化，波的传播规律类似波在变截面杆中的传播规律，如图3．23所示，图中下标i、r、t分别表示入射、反射与透射。反射波系数Rr、透射波系数Rt为：

图3．23　应力波在界面中的传播

式中 Z——阻抗；

n——阻抗比；

ρ，A——桩的密度与截面积；

c——波速。

由式（3．24）可知：

①当n＝1时，Rr＝0。说明界面不存在阻抗不同或截面不同的材料，无反射波存在。

②当n＞1时，Z1＞Z2，Rr＞0，反射波和入射波同号，说明界面是由高阻抗硬材料进入低阻抗软材料或大截面进入小截面。

③当n＜1时，Z1＜Z2，Rr＜0，反射波和入射波反号，说明界面是由低阻抗软材料进入高阻抗硬材料或小截面进入大截面。

以上3种情况的讨论表明，根据反射波的相位与入射波相位的关系，可以判别界面波阻抗的性质，这是反射波动测法判别桩身质量的依据。

2）试验方法和设备

反射波法（也称为应力波反射法）的现场测试如图3．24所示。对完整的测试分析过程可以描述如下：用手锤（或力棒）在桩头施加一瞬态冲击力F（t），激发的应力波沿桩身传播，同时利用设置在桩顶的加速度传感器或速度传感器接收初始信号和由桩阻抗变化的截面或桩底产生的反射信号，经信号处理仪器滤波、放大后传至计算机得到时程曲线（称为波形），最后分析者利用分析软件对所记录的带有桩身质量信息的波形进行处理和分析，并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完整性的判断。

图3．24　反射波法的现场测试示意图

反射波法使用的设备包括激振设备（手锤或力棒）、信号采集设备（加速度传感器或速度传感器）和信号采集分析仪。

激振设备的作用是产生振动信号。手锤产生的信号频率较高，可用于检测短、小桩或桩身的浅部缺陷；力棒的质量和棒头可调，增加力棒的质量和使用软质棒头（如尼龙、橡胶）可产生低频信号，可用于检测长、大桩和测试桩底信号。激振的部位宜位于桩的中心，但对于大桩也可变换位置以确定缺陷的平面位置。激振的地点应打磨平整，以消除桩顶杂波的影响。另外，力棒激振时应保持棒身竖直，手锤激振时锤底面要平，以保持力的作用线竖直。

采集信号的传感器一般用黄油或凡士林粘贴在桩顶距桩中心2/3半径处（注意避开钢筋笼的影响）的平整处。粘贴处若欠平整，则要用砂轮磨平。粘贴剂不可太厚，但要保证传感器粘贴牢靠且不要直接与桩顶接触。需要时可变换传感器的位置或同时安装两只传感器。

信号采集分析仪用于测试过程的控制，反射信号的过滤、放大、分析和输出。测试过程中应注意连线应牢固可靠，线路全部连接好后才能开机。仪器一般配有操作手册，应严格遵循。

3）弹性波在传播过程中的衰减

弹性波在混凝土介质内传播的过程中，其峰值不断衰减，引起弹性波峰值衰减的原因很多，主要是：

（1）几何扩散

波阵面在混凝土中不论以什么形式（球面波、柱面波或平面波）传播，均将随距离增加而逐渐扩大，单位面积上的能量则愈来愈小。若不考虑波在介质中的能量损耗，由波动理论可知，在距振源较近时，球面波的位移和速度与1/R2成正比变化，而应变、径向应力则与1/R3成正比；柱面波d的位移和速度与1/R成正比，而应变、径向应力则与1/R2成正比。在距振源较远时，球面波波阵面处的径向应力、质点速度与1/R成正比，而柱面波的相应量随1/R0．5而衰减。

（2）吸收衰减

由于固体材料的黏滞性及颗粒之间的摩擦以及弥散效应等，使振动的能量转化为其他能量，导致弹性波能量衰减。

（3）桩身完整性的影响

由于桩身含有程度不等和大小不一的缺陷，如裂隙、孔洞、夹层等，造成物性上的不连续性、不均匀性，导致波动能量更大的衰减。

4）混凝土的强度及其弹性波速

混凝土是由水泥、砂、碎石组成的混合材料。当原材料、配合比、制作工艺、养护条件、龄期和混凝土的含水率不同时，其强度和弹性波速均不一样。影响波速的主要因素有以下方面：

（1）原材料的影响

水泥浆硬化体的弹性波速较低，一般在4 km/s以下；常用的砂和碎石的弹性波速较高，通常都在5 km/s以上。混凝土是水泥浆胶结砂和碎石而成，因此它的强度和弹性波速实际上是砂、碎石和水泥硬化体的波速综合值。一般混凝土中的波速多在3 000～4 500 m/s的范围内。

（2）碎石的矿物成分、粒径和用量的影响

不同矿物形成的碎石的弹性波速是不同的。在混凝土中，石子的粒径越大、用量越多，在相同强度的前提下混凝土的弹性波速越高。

（3）养护方式的影响

根据室内试验的结果，混凝土的强度和弹性波波速之间有较好的相关性。下述公式可供参考。

式中 σc——混凝土的标准抗压强度，MPa；

C——混凝土的纵波波速，km/s。

上式的统计样本容量n＝30，相关系数γ＝0．986 9。

3．5．3　高应变检测

高应变动力检测是用重锤给桩顶一竖向冲击荷载，在桩两侧距桩顶一定距离对称安装力和加速度传感器，量测力和桩、土系统响应信号，从而计算分析桩身结构完整性和单桩承载力。

高应变动力试桩作用的桩顶力接近桩的实际应力水平，桩身应变相当于工程桩应变水平，冲击力的作用使桩、土之间产生相对位移，从而使桩侧摩阻力充分发挥，端阻力也相应被激发，因而测量信号含有承载力信息。

高应变动力试桩作用的桩顶力是瞬间力，荷载作用时间20 ms左右，因而使桩体产生显著的加速度和惯性力。动态响应信号不仅反映桩土特性（承载力），而且和动荷载作用强度、频谱成分和持续时间密切相关。

1）高应变动力测桩的基本原理

把桩看成一维弹性杆，则可运用波动的基本理论对桩的运动进行分析。在外力（使桩能产生一定位移的大应变力）作用下，桩的一维波动方程可以用如下的二阶偏微分方程来描述：

式中 x——纵坐标（沿桩身长度）；

　　t——时间；

　　u——桩身截面的轴向位移；

　　C——应力波在桩身中的传播速度，E和ρ分别为桩身材料的弹性模量和质量密度。

在应力波的作用下，桩身产生运动，其质点的运动速度v取决于应力大小和材料性质，其表达式为：

等式两边乘以桩身截面积A并稍加变换为

式中 σ——桩身质点应力；

A——桩截面积；

E——材料的弹性模量；

ρ——材料的质量密度；

P——桩身某一截面所受的力；

Z——桩身截面处阻抗。

式（3．26）的通解，可以用上行波函数g和下行波函数f的形式表示：

对于匀质、等截面的桩，桩身力学阻抗可看作一个常量。在下行波作用下，桩身某截面处所受的力和速度是同方向变化的；而在上行波作用下，该截面所受的力和速度是反方向变化的。

一方面，当桩的截面发生变化时，其力学阻抗也发生变化。在阻抗变化的界面，应力波将产生反射和透射。即桩身力学阻抗变化对应力波的影响。

透射波与原入射波性质一致（即拉力渡、压力波保持不变），幅值为原入射波的2Z2/（Z1＋Z2）倍。反射波的性质由Z2－Z1的值定。当入射波由阻抗较大处进入阻抗较小处时，Z2－Z1为负值，反射波变号（拉力波变压力波，压力波变拉力波）；当入射波由阻抗较小处进入阻抗较大处时，Z2－Z1为正值，反射波不变号。其幅值为│（Z2－Z1）/（Z1＋Z2）│倍。

另一方面，桩身侧阻力、端阻力对应力波也有影响。设桩身某一区段的侧面，有一向上的阻力R（i），可将其分解成向上的压力波和向下的拉力波，两者值相等，均为R（i）/2。

当上行波或下行波在通过摩擦阻力R（i）作用的截面时，其幅值各增减R（i）/2。该阻力的上行分量使实铡监线P、v上下偏离，且在桩整个受力过程中呈现。而下行分量将不断和下行波的压力波叠加，并使压力波逐渐减弱。当然，桩端阻力对应力波也有很大影响，这里不再说明。

在高应变动测时，实测的力和速度监线将全面反映岩土对桩的阻力作用和桩身力学阻抗的变化。因此，可以通过拟合、分析把这两种变化定量地表示出来。这就是高应变动力测桩方法能确定桩的承载能力和桩身完整性质量的基本原理。

2）高应变动力测桩的应用

（1）单桩承载力的确定

高应变动测法是根据岩土的极限阻力分布来推断单桩极限承载力的。目前，高应变动测确定单桩承载力主要有两个方法：凯斯（Case）波动法和实测曲线拟合（Capwapc）法。

①Case法：Case法是一种简化的计算单桩极限承载力的方法。即

式中 R T——桩受到的总阻力；

R a——土的静阻力；

R d——土的动阻力；

J c——桩端阻尼系数；

P m（t1），V m（t1），P m（t2），V m（t2）——t1，t2时刻的力值和速度值；

Z——力学阻抗。

Case法的基本假定是桩身截面没有变化，应力波在传播过程中没有能量耗散和信号畸变，桩周土的动阻力忽略不计，桩底土的动阻力与桩端的运动速度成正比。即R d＝J c ZV m，J c为比例常数，无量纲，往往根据经验选定。所以Case是一个半经验的方法。它的优点是简明快速，可以在锤击的同时计算出承载力值，因此非常适合对打入桩打入过程中的质量控制和对打桩设备性能的测定。它的缺点是选择J c有一定的随意性，在计算时仅用到检测曲线的几个特征值，有一定的误差，特别是对于灌注桩，误差较大。

②Capwapc法：它的做法是把桩分成有限个单元，对每一单元的桩、土各种参效（如桩身阻抗、弹性模量、阻力、阻尼、Quake值等）进行设定，再以实测的信号（力、速度）作为边界条件进行波动分析，求出波动方程的解，得到第一次的拟合计算结果。然后根据计算结果和实测信号的差异，调整桩土参数，继续进行拟台计算，直至拟合曲线与实测曲线的符合程度达到最佳状态为止。这时可以认为，最终选定的参数，就是桩、土的实际参数。

Capwapc法一般需进行数十次甚至数百次的反复比较、迭代，以使拟合质量系数（MQ）达到最小。拟合过程中受人为影响较小，所求得的土阻力值也更精确、更符合实际工程情况。因此，单桩承载力的确定，要尽量采用Capwapc法，这对于现场浇注的灌注桩甚至是必需的。其缺点是，拟合分析速度较慢，对操作人员的要求也较高。

因此，对于以确定单桩极限承载力为目的的高应变检测（包括前期试桩和工程抽样桩），都应采用实测曲线拟合法，而不应是凯斯法。

（2）桩身完整性检验

桩身完整质量的检测，一般可通过低应变动铡方法解决。但是，低应变动测时能量太小，当桩的长细比较大、桩周土、桩端土阻力较大时，往往不易得到清晰的检测信号。而高应变动测的冲击能量足够大，足以得到桩底的明确信息。另一方面，高应变动测在实测曲线的拟合分析过程中，将得到桩身变截面处的实际阻抗变化，因而还可通过所谓截面完整性系数β定性地确定桩的缺陷程度。一般定义：

β为截面完整性系数。β值的大小由截面上下的材料密度、波速、截面积的比值决定。β的大小客观地反映桩身的缺陷情况。表3．10为美国ASTM标准（1989年）建议的β值和桩身缺陷程度的关系。

缺陷位置由波从缺陷处反射回桩顶的时间计算。

表3．10　β值与桩身缺陷程度的关系

图3．25　高应变动测系统示意图
1—力传感器 2—加速度传感器

3）高应变动力测桩方法

高应变动力测桩采用的仪器由传感器、采集及预处理、信号分析计算、输出4部分组成，如图3．25所示。

高应变动测时一般采用工具式应变传感器来测力，用内装放大式压电加速度计来测加速度。应变传感器和加速度传感器各采用两个，在桩头两侧对称安装，以尽量消除锤击偏心造成的影响。传感器距桩顶位置一般为1．5～2倍桩径的距离。选择合适的重锤、锤架并正确安放，保证重锤能不受阻碍地以自由落体的方式打击桩顶正中。启动仪器进入采集信号状态，对传感器进行标定并设置好传感器灵敏度，使仪器处于等待触发状态，然后开始试验。在重锤打击桩顶的同时，仪器将显示实测的力、速度波形曲线。正常的力、速度曲线在起始部分应是基本重合的，并应能明显地看到桩底信号的反射。如不是这样，应停止试验并仔细检查传感器仪器的工况。除了正在施工的打入桩之外，最好调动足够大的能量，“一锤定音”，使桩产生足够的贯入度。

3．5．4　超声法测桩

超声波（简称声波）透射法测试是弹性波测试方法的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，以人工激振的方法向介质（岩石、岩体、混凝土构筑物）发射声波，在一定的空间距离上接收介质物理物性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决一系列岩土工程中的有关问题。

1）超声波测桩的基本原理

声波在桩体混凝土中的传播特性反映了混凝土材料的结构、密度及应力应变关系。根据波动理论，跨孔对穿测试其弹性波的波速可近似为：

式中 E——介质的动态弹性模量；

ρ——密度；

μ——泊桑比。

声波在桩体混凝土中的传播参数（声时、声速、波幅、频率等）与混凝土介质的物理力学指标（动弹模、密度、强度等）之间的关系就是声波透射法检测的理论依据。当混凝土介质的构成材料、均匀度、养护方法、施工条件等因素基本一致时，声波在桩体传播中运动学特征和动力学特征一致；反之在施工中由于塌孔、离析、夹泥等现象出现，声波在传播中，必将在运动学特征和动力学特征上发生变化。

2）超声波测桩仪器设备

①试验装置：声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器（亦称探头）、预埋测管等，也有加上换能器标高控制绞车和数据处理计算机，如图3．26所示。

②超声检测仪的技术性能应符合下列规定：接收放大系统的频带宽度宜为5～50 kHz，增益应大于100 dB，并带有0～60（或80）dB的衰减器，其分辨率应为1 dB，衰减器的误差应小于1 dB，其档间误差应小于1%。发射系统应输出250～1 000 V的脉冲电压，其波形可为阶跃脉冲或矩形脉冲。显示系统应同时显示接收波形和声波传播时间，其显示时间范围宜大于300μs，计时精度应大于1μs，仪器必须稳定可行，2 h中声时漂移不得大于±0．2μs。

图3．26　基桩超声波检测示意图

③换能器应采用柱状径向振动的换能器，将超声仪发出的电脉冲信号转换成机械振动信号，其共振频率宜为25～50 kHz，外形为圆柱形，外径φ30 mm，长度200 mm。换能器宜装有前置放大器，前置放大器的频带宽度宜为5～50 kHz。绝缘电阻应达5 MΩ，其水密性应满足在1 MPa水压下不漏水。桩径较大时，宜采用增压式柱状探头。

④声测管是声波透射法检测装置的重要组成部分，宜采用钢管、塑料管或钢质波纹管，其内径宜为50～60 mm。

3）超声波测桩方法

按照声波换能器通道在桩体中不同的布置方式，声波透射法检测混凝土灌注桩，可分为以下3种方式。

（1）桩内跨孔声波透射法

首先在桩内预埋两根或两根以上的声测管，将发射、接收换能器分别置于两个声测管中，如图3．27（a）所示。检测时声波由发射换能器发出穿过两根声测管间的混凝土后被接收换能器接收，实际有效的声测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所覆盖的面积。根据两换能器高程的变化又有平测、斜测、扇形扫测等方式。

当采用钻芯法检测大直径灌注桩桩身完整性时，可能有两个以上的钻芯孔。如果我们需要进一步了解两钻孔之间桩身混凝土质量，也可以将钻芯孔作为收、发换能器通道进行跨孔声波透射法检测。

（2）桩内单孔折射波法

在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用，例如钻孔取芯后，我们需要进一步了解芯样周围混凝土质量，作为钻芯检测的补充手段，这时可以采用单孔检测法，如图3．27（b）所示。此时，换能器置于一个孔中，换能器间用隔声材料（或采用专用的一发双收换能器）。声波从发射换能器发出经耦合水进入孔壁混凝土表层，并沿混凝土表层滑行一段距离后，再经耦合水到达两个接收换能器上，从而测出声波沿孔壁混凝土传播的各项声学参数。

采用单孔折射波法检测，其声波传播路径较跨孔法复杂得多，须采用信号分析技术，当孔道中有钢质或其他套管时，不能采用此种方法。

单孔测试时，有效检测范围一般认为在一个波长左右（8～10 cm）。

（3）桩外跨孔声波透射法

当桩的上部结构已施工或桩内没有换能器通道时，可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔道作为检测通道，由于声波在土中衰减很快，因此桩外孔应尽量靠近桩身。检测时在桩顶面放置一发射功率较大的发射换能器，接收换能器从桩外孔中自上而下慢慢放下，声波沿桩身混凝土向下传播，并穿过桩与混凝土之间的土层，通过孔中耦合水进入接收换能器，逐点测出透射声波的声学参数。当遇到断桩或夹层时，该处以下各点声时明显增大，波幅急剧下降，以此为判断依据，如图3．27（c）所示。这种方法受仪器发射功率的限制，可测桩长十分有限，且只能判断夹层、断桩、缩径等缺陷，且因灌注桩桩身剖面结合形状不规则，给测试和分析带来困难。

图3．27　超声波测桩方法

以上3种方法中，桩内跨孔超声波透射法是一种较为成熟可靠的方法，是声波透射法检测灌注桩混凝土质量的最主要的方法，另外两种方式在检测过程的实施、数据分析上均存在不少困难，检测方法的实用性及检测数据的可靠性均较低。

基于上述原因，铁路工程基桩检测技术规程将声波透射法的适用范围规定为适用于已埋声测管的混凝土灌注桩桩身完整性检测，即适用于桩内声波跨孔透射法检测桩身完整性。

4）测试数据处理及缺陷判定

测试数据的分析处理及缺陷判定严格按照《中华人民共和国行业标准基桩低应变动力检测规程》（JGJ/T 93—95）的相关规定进行，即根据声时曲线、K-Δt曲线和声幅曲线等3条曲线来判定缺陷的部位和大小。

声波波形能直观反映某测点混凝土是否有缺陷。用反射波法评价基桩完整性时，可按波形好坏直接判断某桩是否有缺陷、是否有严重缺陷。同理，在声波透射法检测过程中，检测人员检测时面对单一测点的波形，而后根据波形才确定声时值和声幅值，若桩基混凝土是均质的，声波波形有两头小、中间大、同频率等特征（见图3．28）；若声波经过缺陷处，波形就会明显变化，缺陷特别严重时表现在波形上为声幅很低，首波不易确认，频率变小且同一波形中有不同频率成分，比较容易直接判断（见图3．29）。

图3．28　完好波标准波形

图3．29　缺陷波波形图

在检测时，声时、声幅和波形3种曲线常出现后面3种情况：①某一测点声时超判据，而声幅未超判据，且波形完好；②声时未超判据，声幅超判据，波形除首波外其他正常；③声时未超判据，声幅未超判据，波形不正常（整个波形幅值较低）。下面对这3种情况进行分析。

第①种情况表示该处混凝土仍为均质的，混凝土强度略有变小，若声时超标不大（比正常的声时差10～20μs）且在一两个加密点出现，缺陷不影响桩的安全性能；或者因为测管弯曲，在测管拐点处数据超出判据，就不应该判定混凝土有缺陷。如图3．30所示，此测线声时超标处无缺陷。

图3．30　某AB测线的声时和声幅曲线图

第②种情况表示该混凝土局部有细小气泡或空洞，不影响桩的安全性能。

第③种情况表示换能器位于混凝土强度变化的界面处，往往预示着在该测点附近可能有更大形式的缺陷出现。某桩基工程从268～280号桩连续7个加密点检测的波形，第268号和280号波形是完好波，第272、274、276点的波形为严重缺陷的波形，而270和278号为混凝土质量渐变处的波形，如图3．31所示，第270号与278号波形高差为40 mm，该图同时说明了桩体内的缺陷大多为渐变的，相邻测点的波形图也是渐变的。

在桩检测过程中，当缺陷范围较大且桩身长度较短时，此缺陷处测线声时也不会超标；当测管弯曲时，测距越来越小，缺陷处的声时有可能比测距较大处的声时小得多，因此在此处测线有可能不会超标，但仍需判为缺陷。因此，在检测过程中不能根据某单一指标来判定，而应综合各个指标来分析是否有缺陷、缺陷范围及其程度。

图3．31　某缺陷附近连续6个测点的波形图

3．5．5　抽芯检测

钻芯法是从桩身混凝土中钻取芯样，以测定桩身混凝土的质量和强度，具有施工周期短、对桩破坏小、取得资料全面可靠、经济效果好以及发现问题便于采取补救措施等优点。由于此法比较直观，它不仅能通过取芯观测混凝土的灌注质量、配合比，砂、石、水泥拌和均匀度，核实灌注桩桩长，而且能正确判断和检查桩底沉渣厚度、缩颈、夹泥、混凝土与桩底基岩状况。若钻孔穿过桩底适当深度，还可进一步查明桩端持力层的情况，检验持力层下面是否有软弱夹层，还可探查扩底桩扩大端的实际直径等数据是否符合设计要求。

1）仪器设备要求

钻取芯样宜采用液压操纵的钻机。钻机设备参数：额定最高转速≥790转/min、调速≥4挡，额定配用压力≥1．5 MPa。常用的钻机有XY—1、XY—2或XU—100、XU—300—2立轴回转式液压钻机单动双管钻具、钻杆直径宜为50 mm。

应根据混凝土设计强度等级选择金刚石钻头，外径不宜小于100 mm；经济合理考虑，优先选用101和110 mm；商品混凝土，骨料最大粒径小于30 mm，可选91 mm；不检测混凝土强度，可选76 mm。注意：芯样试件直径不宜小于骨料最大粒径的3倍，任何情况下不得小于2倍。

采用清水冲洗，适当掺加冲洗液。水泵的排水量应为50～160 L/min，泵压为1．0～2．0 MPa。冲洗液作用是清洗孔底，洗去携带和悬浮的岩粉，冷却钻头，润滑钻头和钻具，保护孔壁。

锯切芯样试件用的锯切机应具有冷却系统和牢固夹紧芯样的装置，配套使用的金刚石圆锯片应有足够刚度。芯样试件端面的补平器和磨平机应满足芯样制作的要求。

2）现场检测要点

（1）钻芯孔数和钻孔位置的规定

①桩径＜1．2 m取1孔，1．2～1．6 m取2孔，＞1．6 m取3孔。

②单孔在中心偏10～15 cm开孔，两孔或以上在中心偏0．15～0．25D对称开孔。

③考虑导管附近的混凝土质量相对较差，不具有代表性。

④方便第二个孔的位置布置。

⑤桩底持力层至少钻1孔，深度对于嵌岩桩应为3倍桩径。

⑥钻芯孔垂直度偏差≤0．5%，孔口管应垂直且牢固；基桩垂直度偏差≤1%，若有争议，可进行钻孔测斜。

（2）金刚石钻进技术参数

①钻头压力：根据混凝土芯样的强度与胶结好坏而定。

②转速：回次初转速宜为100 r/min左右。

③冲洗液量：宜采用清水钻进，冲洗液量一般按钻头大小而定。

④每回次进尺宜控制在1．5 m内。遇中、微风化岩石时，可将桩底0．5 m左右的混凝土芯样、0．5 m左右的持力层以及沉渣纳入同一回次检测桩底沉渣或虚土厚度，应采用减压、慢速钻进，若遇钻具突降，应即停钻，及时测量机上余尺，准确记录孔深及有关情况。

⑤持力层为强风化岩层或土层时，可采用合金钢钻头干钻等适宜的钻芯方法和工艺钻取沉渣并测定沉渣厚度；对中、微风化岩的桩底持力层，可直接钻取岩芯鉴别；对强风化岩层或土层，可采用动力触探、标准贯入试验等方法鉴别。试验宜在距桩底50 cm内进行。

⑥严禁敲打卸芯。芯样取出后，应由上而下按回次顺序放进芯样箱中，芯样侧面上应清晰标明回次数、块号、本回次总块数；对芯样和标有工程名称、桩号、孔号、芯样试件采取位置、桩长、孔深、检测单位名称的标示牌进行拍照。

⑦采用0．5～1．0 MPa压力，水泥浆回灌封闭

⑧对桩身混凝土芯样的描述包括混凝土钻进深度，芯样连续性、完整性、胶结情况、表面光滑情况、断口吻合程度，混凝土芯是否为柱状，骨料大小分布情况，气孔、蜂窝麻面、沟槽、破碎、夹泥、松散的情况，以及取样编号和取样位置。

⑨对持力层的描述包括持力层钻进深度、岩土名称、芯样颜色、结构构造、裂隙发育程度、坚硬程度及风化程度，以及取样编号和取样位置，或动力触探、标准贯入试验的位置和结果。分层岩层应分别描述。

⑩应先拍彩色照片，后截取芯样试件。

3）芯样试件截取、加工和试验要点

（1）试件截取要点

①当桩长为10～30 m时，每孔截取3组芯样；当桩长小于10 m时，可取2组；当桩长大于30 m时，不少于4组。

②上部芯样位置距桩顶设计标高不宜大于1倍桩径或1 m，下部芯样位置距桩底不宜大于1倍桩径或1 m，中间芯样宜等间距截取。

③缺陷位置能取样时，应截取一组芯样进行混凝土抗压试验。

④如果同一基桩的钻芯孔数大于一个，其中一孔在某深度存在缺陷时，应在其他孔的该深度处截取芯样进行混凝土抗压试验。

⑤当桩底持力层为中、微风化岩层且岩芯可制作成试件时，应在接近桩底部位截取一组岩石芯样。

（2）试件加工要点

①应采用双面锯切机加工芯样试件，锯切过程中应淋水冷却金刚石圆锯片。

②芯样补平，水泥砂浆（或水泥净浆）厚度不宜大于5 mm，硫磺胶泥（或硫磺）不宜大于1．5 mm。

③芯样试件的几何尺寸测量：芯样高度、平均直径、垂直度、平整度。

④试件不得试验：裂缝或有其他较大缺陷、含有钢筋、试件尺寸偏差超过以下限值：高度小于0．95d或大于1．05d；直径相差达2 mm以上；不平整度在100 mm长度内超过0．1 mm；不垂直度超过2°；直径小于2倍表观粗骨料最大粒径。

（3）试件抗压强度试验要点

制作完毕可立即进行试验，抗压强度试验应按现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T 50081—2002）的有关规定执行。

若发现芯样平均直径小于2倍粗骨料最大粒径，且强度值异常，不参与评定；混凝土芯样试件抗压强度计算，折算系数取1．0。

桩底岩芯单轴抗压强度试验可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）附录J执行。

4）桩基钻芯成桩质量评定

成桩质量评价应结合钻芯孔数、现场混凝土特征、芯样单轴抗压强度试验结果按表3．11和表3．12的特征进行综合判定。当出现下列情况之一时应判定该桩不满足设计要求：

①桩身完整性类别为Ⅳ类。

②受检桩混凝土芯样试件抗压强度代表值小于混凝土设计强度等级。

③桩长、桩底沉渣厚度不满足设计或规范要求。

④桩底持力层岩土性状（强度）或厚度未达到设计或规范要求。

表3．11　桩身完整性分类表

表3．12　桩身完整性判定

用钻孔取芯法检测桩身质量，其优点突出。但该法取样部位有局限性，只能反映钻孔范围内的小部分混凝土质量，存在较大的盲区，容易以点代面造成误判或漏判。钻芯法对查明大面积的混凝土疏松、离析、夹泥、孔洞等比较有效，而对局部缺陷和水平裂缝等判断就不一定十分准确。另外，钻芯法还存在设备庞大、费工费时、价格昂贵这些缺点。因此钻芯法不宜用于大批量检测，而只能用于抽样检查，或作为对无损检测结果的验证手段。实践经验表明，采用钻芯法与超声法联合检测、综合判定的方法评定大直径灌注桩的质量是十分有效的。

本章小结

本章介绍了常用的土体原位测试技术，即：静力载荷试验、静力触探试验、动力触探试验、标准贯入试验等，主要介绍了原位测试技术的工作原理、仪器设备、试验方法、成果整理及影响试验成果的主要因素，并在此基础上结合实例，分析各种测试成果在工程实践中的应用。

应该说，岩土工程原位测试技术是岩土工程中发展最快和最具应用价值的领域，无论从科研和工程实践，都有很多的工作要做，是同学们可以展示动手能力和创新能力的一个平台。

思考题

3．1 为什么说地基静载荷试验是最直观可靠的地基测试方法？它的主要缺陷是什么？

3．2 在天然地基和复合地基上做静载荷试验时，应如何选取压板尺寸？

3．3 某建筑场地的地基土为较均匀的硬塑状粉质黏土，现采用面积为0．5 m2的刚性圆形压板进行测试，所得3个试验点在各级荷载作用下的沉降观察数据如表所示。试绘出3个点的p-s曲线，并计算该场地的地基承载力特征值f ak。

3．4 静力触探的一般测试工作如何进行？

3．5 土层划分后如何用平均法求各土层的测试参数？

3．6 动力触探有哪几种类型，各适用于什么样的土层？标贯适用于什么样的地层条件？

3．7 动力触探的一般测试过程如何？怎样绘制动探的击数-深度关系曲线？

3．8 何谓桩的低应变动力测试法，其适用范围如何？

3．9 反射波法的测试过程和基本要求是什么？

3．10 CASE法和反射波法各自的假设是什么？

3．11 动测法的优势何在，如何提高桩的动测质量？

3．12 简述抽芯检测的要点。